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사회적 고립에 의한 사회성 변화 작동 원리 규명

도파민 신경회로 및 연결 시냅스에서 유발되는 신경 메커니즘 증명

□ 자폐 및 우울증과 같은 사회성 관련 질환 치료법에 단서가 될 사회성 행동 변화에 대한 신경 메커니즘이 국내 연구진에 의해 증명됐다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 강봉균 서울대학교 교수 연구팀이 사회적 고립에 의한 사회성 행동 변화가 도파민* 신경회로 및 연결 시냅스**의 구조적·기능적 변화에 따라 조절되며, 이는 성별에 따라 다르게 나타난다는 것을 규명했다고 밝혔다.

* 도파민(Dopamine) : 뇌 신경세포들간 신호를 전달하기 위해 분비되는 신경전달물질 중 하나이며, 사회성 조절, 동기 부여, 처벌과 보상, 수면, 학습과 기억 등 뇌에 많은 기능에 관여하고 있다.

** 시냅스(Synapse) : 두 신경세포 사이의 신호를 전달하는 ‘연결지점’을 의미한다.

□ 사회적 고립은 다양한 행동 변화를 유발할 수 있으며, 이는 자폐나 우울증과 같은 사회성 결핍 질환으로 이어질 수 있다.

○ 그러나 장기적인 사회적 고립 동물 모델과 사회적 장애 동물 모델로만 연구되어 왔던 기존의 방식으로는 뇌와 신경회로의 영역에서 일어나는 메커니즘을 밝혀내는 데 한계가 있었다.

○ 더 나아가 성별에 따른 사회적 행동 차이가 뇌에서 어떻게 담겨 있는지 시냅스 수준에서의 연구는 관련 기술의 부재로 이루어지지 못했다.

□ 이에 연구팀은 전기생리학, 광유전학, 화학유전학, 그리고 자체 개발한 Dual-eGRASP* 기술을 이용하여 사회적 고립에 의해 유발되는 사회적 행동 변화의 작동 원리를 분자-세포-시냅스-행동 단위에서 걸쳐 규명하였다.

* Dual-eGRASP : 서로 다른 신경세포로부터 온 시냅스를 청록색과 노란색으로 구분하여 표지할 수 있는 기술. 이 기술을 활용하여 특정 시냅스의 변화를 확인할 수 있다.

□ 그 결과, 사회적 고립에 의하여 활성화되는 배측 봉선핵*(Dorsal raphe nucleus) 도파민 신경세포와 측좌핵 간 기능적‧구조적 연결이 수컷 생쥐에서만 증가해있음을 확인했으며, 이를 통해 사회적 행동 변화가 유발됨을 증명할 수 있었다.

* 배측 봉선핵 : 뇌간 중앙에 위치하는 뇌 영역으로, 도파민 신경세포와 세로토닌 신경세포가 존재한다. 사회성 조절, 수면 및 각성 조절, 공포에 대한 기억 조절 등에 중요한 역할을 한다.

○ 이는 사회적 고립에 의한 사회성 변화를 유발하는 인자가 뇌신경 회로에 존재하며, 더 나아가 성별에 따른 사회성 변화의 원리를 설명할 수 있는 실마리가 될 것으로 기대된다.

□ 강봉균 교수는 “사회적 고립으로 인하여 나타나는 행동 변화는 동물의 성별에 따라 다른 양상으로 나타났으며, 이는 도파민 신경세포 활성과 신경 회로 차이에서 기반했다”며 “사회성 변화 원리를 뇌의 회로 수준에서 규명하여 동물의 사회적 행동 메커니즘을 이해할 수 있고, 이는 자폐 및 우울증과 같은 사회성 관련 질환 치료법 모색에 단서가 될 것이라 기대한다”고 전했다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구(국가과학자) 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 10월 12일 게재되었다.

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연구이야기

1. 연구의 필요성

○ 사회적으로 고립되었을 때 동물은 행동학적 변화가 나타나며, 이러한 변화는 성별에 따라서 다르게 발현된다. 하지만 뇌의 어떤 영역들에서, 어떤 메커니즘이 동물의 사회적 행동 변화를 유도하는지는 밝혀진 바가 없었다. 본 연구진은 동물 사회성 변화의 작동원리를 다양한 수준에서 규명하고자 연구를 진행하였다.

2. 연구내용

○ 전기생리학 (electrophysiology), 광유전학 (optogenetics), 화학유전학 (chemogenetics), 파이버포토메트리 (fiber photometry) 그리고 자체 개발한 dual-eGRASP 기술을 이용하여 연구를 진행하였다. 배측 봉선핵 도파민 신경세포와 측좌핵의 도파민 수용체 1을 발현하고 있는 신경세포 간 신경회로와 시냅스가 사회적 고립으로 나타나는 사회성 변화를 유발하는 메커니즘이라는 것을 규명하였다.

○ 활성화된 신경세포를 포착할 수 있는 표지기법을 이용하여, 배측 봉선핵과 측좌핵에서 사회적 고립 자극에 반응하는 신경세포 집단을 표지하였고, 선택적 조절을 통해 사회성 변화를 인위적으로 조절하였다.

○ 이번 연구의 핵심은 동물의 사회성을 변화시키는 뇌의 신경회로를 단순히 밝혀낸 것이 아니라, 이 신경회로의 변화를 최근 개발된 기술들을 적용하여 구조적/기능적 측면에서 모두 증명했다는 점이다. 더 나아가서 이러한 뇌의 변화가 성별에 따라서 다르게 나타나기에 성별에 따라 다른 행동 양상으로 표출됨을 밝혀내었다.

○ 용어 설명

- 사회적 고립 (Social isolation): 사회적 고립은 다른 개체군과 상호작용이 없는 물리적인 단절을 의미한다. 고립된 기간에 따라 단기적 또는 장기적 고립으로 나뉘며, 행동에 미치는 영향 또한 기간에 따라 다르게 나타난다고 알려져 있다. 행동 변화의 생물학적, 신경학적 원리를 밝혀내고자 다양한 연구들이 진행 중이다.

- 배측 봉선핵 (Dorsal raphe nucleus): 뇌간 중앙에 위치하는 뇌 영역으로, 도파민 신경세포와 세로토닌 신경세포가 존재한다. 사회성 조절, 수면 및 각성 조절, 공포에 대한 기억 조절 등에 중요한 역할을 한다.

- 도파민 (Dopamine): 뇌 신경세포들간 신호를 전달하기 위해 분비되는 신경전달물질 중 하나다. 사회성 조절, 동기 부여, 처벌과 보상, 수면, 학습과 기억 등 뇌에 많은 기능에 관여하고 있다.

- 시냅스 (Synapse): 두 신경세포 사이의 신호를 전달하는 연결지점이다. 시냅스전 축삭말단(axon terminal)과 시냅스후 가시(spine), 그리고 그 사이의 시냅스 틈(cleft)으로 구성되어 있다.

- Dual-eGRASP: 본 연구팀이 개발한 시냅스 표지 기술이다. 서로 다른 신경 세포로부터의 시냅스를 청록색과 노란색으로 구분하여 시각화할 수 있는 기술이다. 이 기술을 이용하여 특정 자극에 의해 활성화되는 신경세포와 활성화되지 않는 신경세포 간 연결을 4가지 조합으로 구분할 수 있다.

3. 연구성과/기대효과

○ 사회적으로 고립되었을 때 성별에 따라 행동이 다르게 나타나는 현상이 뇌의 신경세포 활성과 신경회로 변화에 기반을 둔다는 것을 밝혀내어, 성별에 따른 신경세포 수준의 근본적인 차이점을 이해할 수 있다.

○ 이번 연구는 자체 개발한 시냅스 표지기법인 dual-eGRASP 기술의 적용 범위를 넓혔다는 점에서 의미가 있다. 기존에는 학습과 기억에 관여하는 글루타메이트 (glutamate) 분비 신경세포에 적용하였다면, 본 연구에서는 동물의 사회성 행동 조절과 관련된 신경조절성 (neuromodulatory) 신경세포에 적용하였다.

○ 사회적 고립에 의한 사회성 변화 메커니즘 연구를 바탕으로, 자폐나 우울증과 같은 다양한 사회성 관련 질환의 원인을 규명하고, 치료 방향에 단서를 제공할 수 있을 것이라 기대한다.

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